Геомеханическое обоснование параметров вскрышных уступов при разработке мульдообразных залежей
Для определения параметров и темпов горных работ необходимо обладать информацией об устойчивости бортов карьера на заданный момент времени. При разработке мульдообразных залежей вопросы устойчивости приобретают особый характер вследствие специфичности залегания полезного ископаемого, имеющего краевые выходы на поверхность.
Задача устойчивости массивов пород является частной задачей общей теории предельного напряженного состояния грунтов, но имеет весьма существенные особенности, обусловленные спецификой движения масс при нарушении их устойчивости [1]. Причиной нарушения устойчивости в данном случае является уменьшение внутренних сопротивлений в массиве (разрушение естественных упоров) вследствие обнажения борта при отработке месторождения. Рассмотрим эти вопросы применительно к условиям Нерюнгринского угольного разреза. Учитывая геологические условия Нерюнгринского месторождения, призма вероятного обрушения борта разреза будет являться оползнем скольжения, то есть оползнем по зафиксированной поверхности, которой является кровля угольного пласта, имеющая более низкие прочностные свойства, чем массив вскрышных пород в целом.
Расчеты устойчивости преимущественно включают в себя определение сдвигающих и удерживающих сил (напряжений) и установление на основе сравнения этих сил коэффициентов запаса устойчивости заданного профиля. Для расчета устойчивости бортов карьеров и откосов отвалов применяют методы алгебраического суммирования сил по круглоцилиндрическим и монотонным криволинейным поверхностям и метод многоугольника сил при любой форме поверхности скольжения [2, 3]. Уравнение равновесия имеет вид:
h=StgjiNi+Scili (1)
STi
где: ji,ci — соответственно, угол внутреннего трения и сцепление по основанию блоков, слагающих обрушающийся борт;
Ni,Ti — соответственно, нормальные и касательные составляющие массы элементарных блоков породы;
Ii — длина наклонного основания блоков.
Кривая скольжения для горных пород естественного залегания характеризуется в верхней своей части трещиной отрыва, величина которой зависит от прочностных свойств пород и равна [3]:
H90=2c/g ctg (45°+j/2) (2)
При развитии в массиве горных пород системы трещин (особенно трещин падения) высота вертикального откоса призмы оползания может увеличиваться. При прогнозных расчетах устойчивости бортов разреза «Нерюнгринский» трещиноватость массива в явном виде не учитывается, а расчет ведется по слабейшим прочностным характеристикам вмещающих пород. Усредненные физико-механические свойства вскрышных пород и полезного ископаемого разреза «Нерюнгринский» представлены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что вскрышные породы обладают близкими прочностными свойствами, что позволяет при оценке устойчивости принимать усредненные характеристики по всему комплексу вмещающих пород, то есть: g=2,5 т/м3; j=30°, С=62 т/м2. Резкое снижение прочностных свойств по контакту почвы пласта с нижележащими вмещающими породами позволяет с высокой степенью вероятности считать кровлю нижней пачки вмещающих пород линией ограничения оползневой призмы [2, 3, 4].
Расчет устойчивости производился по программе, разработанной на кафедре геологии МГГУ, двумя методами: алгебраического суммирования сил и многоугольника сил. Шаг перебора вероятных кривых скольжения при определении различных положений фронта горных работ составлял 1.0 м. Определение граничного положения борта, при котором откос становится неустойчивым (h@1,0), производилось способом последовательного изменения генерального угла наклона (b) рабочего борта разреза.
Вскрышные породы в пределах залежи находятся в напряженно-деформированном состоянии, и при развитии фронта горных работ в направлении падения угольного пласта устойчивость борта разреза определяется только прочностными свойствами вскрышных пород без учета слабого контакта. Линия скольжения проходит по массиву, то есть при нарушении устойчивости происходит скол полускального массива и его обрушение с опрокидыванием. Поэтому угол наклона борта разреза при перемещении фронта горных работ от профиля I к профилю VI или от профиля XIV к профилю VIII близок к устойчивому углу откоса уступа и составляет порядка 55-65° (рис. 1).
Наибольший интерес с точки зрения устойчивости борта разреза представляет развитие фронта горных работ по восстанию, то есть от центра залежи к ее крыльям. В этом случае кривая скольжения проходит по почве пласта по контакту, имеющему низкие прочностные свойства, с оползанием массива в центр залежи.
При расчетах устойчивости решались следующие задачи:
- установление максимально возможного генерального угла наклона борта разреза при различных положениях фронта горных работ;
- установление коэффициента запаса устойчивости при заданных параметрах борта карьера при нахождении фронта работ в наиболее опасной, с точки зрения устойчивости, зоне;
- установление зависимости коэффициента запаса устойчивости от положения фронта горных работ при заданных параметрах борта разреза;
- установление параметров борта разреза при условии обеспечения нормативного коэффициента запаса устойчивости (h=1,1) [4].
Рассматривалось несколько вариантов развития фронта горных работ при условии соблюдения постоянной высоты уступа hy=15 м и рабочем угле его откоса a=75°. На рис. 2 представлен результат расчета устойчивости наиболее слабого в геомеханическом отношении борта. Из расчетов видно, что при b@20° коэффициент запаса устойчивости становится равным нормативному, и дальнейшее увеличение угла приведет к оползанию борта разреза. Ширина рабочих площадок при этом составит 38 м.
С учетом неподвижности нижней бровки борта были произведены расчеты устойчивости при различных генеральных углах наклона, по результатам которых был построен график (рис. 3, профиль V). График h=f(b) отображает зависимость коэффициента запаса устойчивости от генерального угла наклона борта посредством изменения ширины рабочих площадок при постоянной высоте уступа hy=15 м.
Из графика видно, что коэффициент запаса устойчивости h=1.24 обеспечивает устойчивость рабочего борта при заданных ширине площадки уступов 62 м, высоте 15 м и угле их откоса 75°. Генеральный угол откоса при этом составляет порядка 13.5°.
На рис. 3 (профиль VI) изображен график зависимости h=f(b) при таком положении фронта горных работ, когда около 70% борта находится практически на горизонтальном основании, а лишь его верхняя часть — на крыле залежи. Минимальный коэффициент запаса устойчивости h@1,12 соответствует конфигурации борта с генеральным углом откоса 27,68°. Рост коэффициента запаса устойчивости с увеличением угла откоса с 27° до критического (bкр»55°–60°) вызван увеличением объема призмы обрушения, находящейся на горизонтальном основании.
При нахождении фронта горных работ в центре залежи (при угле наклона борта b»13°) коэффициент h составляет порядка 1.9–1.95. По результатам расчетов построен график оперативного определения коэффициента запаса устойчивости при угле наклона борта b=13° в зависимости от положения нижней бровки (рис. 4).
Оценивалась также устойчивость рабочего борта в случае развития фронта горных работ в направлении от профиля VII к профилю XIII. Расчеты показали, что коэффициент запаса устойчивости при таком направлении развития фронта горных работ выше на 20–80%, что связано с более пологим залеганием правого крыла залежи.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что при принятых параметрах системы разработки (высота уступа 15 м, угол рабочего откоса 75°, ширина площадки 62 м при генеральном угле борта 13°) рабочий борт разреза на всех этапах эксплуатации месторождения до конца его отработки будет устойчивым.
Подработка борта с боковых сторон допустима на высоту не более двух уступов и определяется величиной Н90, то есть глубиной трещины отрыва. Более точные рекомендации по возможности боковой подработки бортов могут быть выданы после получения информации о характере и развитии напряжений в массиве по результатам натурных исследований. n
Литература
1. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983.
2. Гальперин А.М., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. М.: Недра, 1977.
3. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, 1965.
4. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. Л.: ВНИМИ, 1972.